本发明涉及无线通信传输技术，尤其涉及一种增强无线局域网络在wifi干扰下传输可靠性的方法。
背景技术：
无线网络技术已因其移动性的巨大优势，更容易部署以及减少维护和配置成本。但是现有的csma/ca机制，不确定的延迟不能够提供实时可靠的数据包交付，而且多数情况下信道条件处在不停的动态变化。如何提高数据传输的可靠性，如何根据具体应用，减少普通wifi的干扰，提高无线局域网络数据传输的可靠性具有重大的研究意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现在的研究热点——在tdma调度机制的基础上，针对在wifi干扰的环境中如何避免与普通wifi的碰撞的问题，提供一种增强无线局域网络在wifi干扰下传输可靠性的方法，在tdma链路调度的实时数据传输的基础上，采用tdma网络优先传输的机制，同时共享未使用的带宽到常规wifi网络，并且通过虚拟载波侦听机制，避免与普通wifi的碰撞，提高无线链路的吞吐量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种增强无线局域网络在wifi干扰下传输可靠性的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：在ath9k中安装并打开虚拟载波侦听；
第二步：在ath9k中构建tdma链路调度组件，包括用于触发链路调度的定时器模块、用于对接入的站安排调度顺序的通信链路调度模块、用于管理接入的站的信道接入控制模块；
第三步：构建链路调度超帧，为每个站分配上行和下行链路调度，在每次调度轮循的开始，在第一个时隙ap发送信标帧，用于全局时间同步；
第四步：在通信链路调度模块中添加提前预定机制，具体为，如果重传次数没有全部使用，把剩余的未使用的重传时间提前预定给下一个将要发送数据的链路；
第五步：缩短帧间间隔ifs：为tdma节点分配比常规wifi短的ifs，以给予tdma调度机制的节点访问信道更高的优先级，使得tdma节点比常规wifi节点更早地开始传输；
第六步：与常规wifi网络共享未使用的带宽：带宽共享机制由保护帧和信道使用估计组成；保护针在tdma调度机制的网络中广播nav去推迟常规wifi的传输；信道使用估计通过记录测量过去的常规wifi流量的信道接入时间，并通过使用指数加权平均来估计访问时间；假设对于常规wifi的信道接入时间估计是test，并且保护帧传输时间是tguardframe，定义共享阈值时间tshared如下：
tshared＝test+tguardframe
如果信道空闲时间小于tshared，使用虚拟载波侦听来保护tdma机制下的数据传输；如果信道空闲时间在通信调度中超过tshared，调度一个保护针并且将所未使用的信道空闲时间共享给常规wifi。
进一步地，所述第一步中，通过操纵ar9285的硬件寄存器的ar_diag_sw和ar_d_gbl_ifs_misc打开其载波侦听。
进一步地，所述第三步中，通过hostapd来释放wifi信号，isc-dhcp-server对接入的站分配ip地址；站连接成功后，信道接入控制模块就会构建新的超帧；链路调度模块是控制对超帧中的站的调度顺序，调度完毕后在进行一次新的循环；定时器模块用于触发每个时隙的开始；一个超帧有很多时隙组成，在每一次轮询的开始，第一个时隙为ap发送信标帧，用于全局时间上的同步。
进一步地，所述第四步中，当链路在一次调度中预留三次传输机会时，在这三次机会当中，有可能第一次就传输成功，或者是第一次传输失败，在第二次重传中传输成功，或者是前两次都传输失败，此时需要第三次重传；设置一个有效机制，用来检测第一条链路l1的最后一次重试链是否使用，具体为：提前预订第三个微时隙，在第一条链路l1没有使用最后一次重试机会时，让下一个将要发送的第二条链路l2直接在第一条链路l1的第三次重试机会中提前发送，此外，提前预订机制依然需要确保l1和l2满足它们的可靠性的要求；对于l1，由于第三次重传总是在必要时传输，可靠性满足l1的要求；此外，只有在第三次微时隙不发送l1的第三次传输时才可以提前调度l2，因此，l1和l2都可以按照预期的可靠性进行调度。
进一步地，所述第六步中，在常规wifi网络中灵活使用虚拟载波侦听解决传输阻塞，虚拟载波侦听过程中，链路通过使用nav阻塞wifi网络，但是在nav的长时间中，未使用的nav长信道空闲时间浪费了与常规wifi传输的共享机会，通过保护tdma流量的机制并使常规wifi网络共享未使用的带宽解决该问题。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种在tdma调度机制下，在普通wifi信号干扰下提高无线局域网络数据传输可靠性的方法。本发明针对在wifi干扰的环境中如何避免与普通wifi的碰撞的问题，引入了虚拟载波侦听机制；同时在速率自适应导出重试链的基础上，设计了提前预定机制，如果重传次数没有全部使用，把剩余的未使用的重传时间提前预定给下一个将要发送数据的链路；通过把已经传输成功的链路中尚未使用的重传时间提前预定给下一个将要调度的链路，增加下一个将要调度链路的传输时间，从而提高数据传输的可靠性；同时缩短tdma网络的帧间间隔ifs来提高tdma网络的优先级，这样tdma网络可以比普通wifi网络有更高的机会先进行数据的传输；本发明通过引入虚拟载波侦听，避免普通wifi网络的碰撞，通过缩短tdma网络的帧间间隔ifs来提高tdma网络的优先级，以及提出了一种提前预定和带宽共享机制。
附图说明
图1为tdma链路调度模块；
图2为tdma调度机制的整体架构；
图3为时隙的设计图；
图4中，(a)为没有提前预定的链路调度，(b)为提前预定机制下的链路调度；
图5为tdma网络与普通wifi网络不同模式下的共存，(a)为原始的共存模式，(b)为虚拟载波侦听下的共存模式，(c)为带宽共享下的共存模式。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点更加明显，下文将作进一步详细的说明。
如图1所示，tdma链路调度组件主要有三大模块，信道接入控制模块用于接入的站，通过hostapd来释放wifi信号，isc-dhcp-server对接入的站分配ip地址；站连接成功后，信道接入控制模块就会构建新的超帧；链路调度模块是控制对超帧中的站的调度顺序，调度完毕后在进行一次新的循环；定时器模块用于触发每个时隙的开始；一个超帧有很多时隙组成，在每一次轮询的开始，第一个时隙为ap发送信标帧，用于全局时间上的同步，如表1所示。
表1有7个时隙例子的一个超帧
图2所示为整体软件架构，即在ap端和站端的tdma调度机制网络管理框架的软件架构，这个设计是建立在linux操作系统上并使用ieee802.11兼容硬件。为了满足tdma严格的时间限制，在linux内核中开发了tdma调度机制中的mac模块和速率自适应控制模块。为兼容现有的系统设计，整合了tdma调度机制的管理框架与内核空间中现有的两个内核模块(mac80211和硬件依赖的mac)。mac80211是一个内核管理模块，用于管理linux中ieee802.11协议中mac子层实体，和硬件依赖的mac内核模块用于处理特定的无线网络接口驱动程序。除了修改现有的内核模块，我们在内核中开发一个可配置的tdma数据链路层。在这个网络管理架构中有两种类型的消息流。图2中的黑实线代表通过内部接口在tdma机制中的ap端或站端内交换的内部消息。虚线显示在不同的机器中传输通信信息。对于内部消息，网络套接字用于用户空间程序和内核模块的通信。消息在不同的机器上进行传输则使用tcp或udp协议进行传输。
如图3所示，tdma调度机制的wifi网络对每个设备具有严格的时序要求。例如，如果需要总采样率为2khz的话，定时器每500μs需要交付精确定时中断，所有与该样本相关的任务(包括数据传输，确认和可能的时隙重传)应在其时隙内完成。时隙是tdma调度机制网络的一个基本的临时信道接入单元。为每个目标提供确定性时序行为，每个tdma调度机制中的节点只能在其预分配的时隙中访问信道。图3(a)中展示出了tdma调度机制的时隙，时隙大小由公式(1)确定，保护间隔(tguardinterval)用于确保连续的数据传输时由于同步不准确而产生的相互干扰，保护间隔后开始数据传输，传输时间(tdata)取决于传输速率和包的大小。当接收方成功接收到数据之后，它将在短帧间间隔(sifs)之后用(ack)消息进行响应。如果发送方在短帧间间隔(sifs)之后没有收到ack，发送方就假定该包丢失了。
ttimeslot≥tguardinterval+tdata+tsifs+tack(1)
tdma调度机制应用重传机制来提高通信链路的可靠性。这种重传机制称为时隙内重试：时隙内重传机制显示在图3(b)中。如果发送方没有收到来自接收方的ack消息则立即重新发送。时隙内重传时间不应超过时隙的长度。
如图4所示，假设每个调度链路中存在三次重试机会，每次传输成功的概率为0.5，图4(a)中显示我们不可以同时调度两个链路。然而，在图4(a)中观察到l1使用最后一次重试的概率只有0.25，因为如果l1前两个重试都失败才会使用第三次重试。因此如果有一个有效机制，可以检测l1的最后一次重试链是否使用，如图4(b)所示，我们可以提前预订微时隙3，使得仅发送t(2,1)如果t(1,3)在微时隙中没有使用的情况下。此外，提前预订机制依然需要确保l1和l2仍然满足它们的可靠性的要求。对于l1，由于t(1,3)总是在有必要时传输，可靠性满足l1的要求。此外，只有在微时隙3不发送t(1,3)时才可以提前调度l2，l2分组的成功传送率计算如下：0.75·e({t(2，1),t(2，2),t(2，3)})+0.25·e({t(2，1),t(2，2)})＝0.75·0.875+0.25·0.75＝0.84375。因此，l1和l2都可以按照预期的可靠性进行调度。
载波侦听方法如图5中(a)所示，因为旧的共存模式不能推迟普通wifi传输，它悲观估计常规wifi在最坏情况下的传输，即假设wifi使用最大传输单元和最低数据速率。因此，这种方法导致低效的信道使用。另一方面，如图5中(b)所示，可以在虚拟载波侦听机制下立即调度链路2紧跟在链路1的最后期限之后。链路2的传输不会被常规wifi传输阻塞，即使链路1没有使用它所有的重试链，因为普通wifi将被推迟到指定的nav的结束。如图5中(c)，如果信道空闲时间小于tshared，我们使用虚拟载波侦听来保护tdma机制下的数据传输。另一方面，如果通道空闲时间在我们的通信调度中超过共享阈值，我们调度一个保护针并且将所未使用的信道空闲时间共享给常规wifi。注意，由于保留时间给保护帧和来自常规wifi的信道接入，这样在估计准确的情况下的话，tdma传输将不会被延迟。然而，如果tdma传输错过了截止时间，由于低估了通道访问时间，系统会自适应更新信道估计和构建新的通信时间表。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方案实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护范围。